Основные этапы формирования цифрового сигнала в цифровой фотокамере

 

 

Ма́трица или светочувстви́тельная ма́триц а — специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов.

● Предназначена для преобразования спроецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).

● Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.

● Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционныхсканерах, системах астро- и солнечной навигации.

 

 

Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения — флэш-память.

 

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) — прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Характеризуется разрешением — количеством точек по вертикали и горизонтали, а также соотношением сигнал/шум.

Флэш-память — энергонезависимая память, сохраняющая информацию после выключения питания. Характеризуется форм-фактором, емкостью (в мегабайтах), скоростью доступа и напряжением питания (как правило, 3,3 либо 5 В).

 

В качестве ЭОП используются два типа устройств — ПЗС-матрицы (матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы. Чаще в цифровых фотокамерах используются ПЗС-матрицы.

 

ПЗС, прибор с зарядовой связью, — устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Couple-Charged Device).

 

По конструкции данные устройства примерно похожи на используемые в видеокамерах матрицы, основное различие заключается в разрешении. Эта же характеристика является одной из основных при описании цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матриц с большим количеством элементов сдерживала развитие цифровой фотографии. И если для любительской видеокамеры достаточно матрицы из 300 тысяч элементов, то для фотографии размером 9x12 см необходимо наличие как минимум мегапиксела.

Одним из главных элементов в видеокамерах и цифровых фотоаппаратов является устройства, отвечающие за преобразования света в электрический сигнал. В настоящие время для этого применяются КМОП - секторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Зарядовая связь – это передача заряда от одного МОП - конденсатора другому, расположенных на одной кремниевой подложке.

 

АЦП - устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую последовательность для последующей обработки встроенным микрокомпьютером камеры. Основной характеристикой АЦП является его разрядность - количество дискретных уровней сигнала, кодируемых АЦП. В АЦП современного цифрового фотоаппарата используется двоичная система исчисления.

 

Привычной для нас системой исчисления является десятичная система, т.е. та в которой любое число представляет собой комбинацию десяти цифр 0123456789. Любое число можно представить в двоичной системе исчисления в виде единиц и нулей. Двоичная система исчисления представляет собой произведение коэффициента (единицы либо нуля) на двойку в степени от нуля до n-1, где n - разрядность АЦП.

 

Например, число 39 в двоичной системе исчисления:

 

Происходит сложение значений активных ячеек, т.е. тех, в которых стоит единица. Таким образом: 39=32+4+2+1.

 

Итак, число 39 для восьмибитного АЦП, в двоичной системе исчисления будет иметь вид:00100111

Двоичная система Десятичная система                             ..... .....

 

 

Одна логическая единица или один логический ноль составляют один бит информации.

 

В большинстве современных камерах OLYMPUS, как правило, используется восьмибитный аналого-цифровой преобразователь, т.е. оцифровка аналогового сигнала с матрицы происходит по 256 уровням для каждого из трех каналов цвета (RGB), где 00000000 (0) - минимальная яркость, 11111111 (255) - максимальная. Глубина цвета при этом составляет 24 бита (по 8 бит на каждый из трех каналов RGB).

 

Таким образом, для того чтобы вычислить все возможные комбинации уровней яркости в каналах RGB, и, соответственно, количество цветовых оттенков, воспроизводимых камерой с восьмибитным АЦП необходимо перемножить 256х256х256=16 777 216.

 

В некоторых камерах, таких как OLYMPUS Е-20Р, в режиме TIFF и JPEG - 8 бит на канал, в режиме RAW - 10 бит на канал, в OLYMPUS Е-1: TIFF и JPEG - 8 бит на канал, RAW - 12 бит на канал.

 

Процессор

АЦП передает оцифрованные данные на цифровой процессор сигналов (DSP - digital signal processor). В DSP данные преобразуются в изображение на основе внесенных производителем алгоритмов (программного обеспечения). Эти алгоритмы включают в себя определение координат полученных от сенсора точек и присвоение им цвета с учетом расположения пикселей со светофильтрами трех основных цветов (RGB), из этих цветов формируются все из 16 777 216 воспроизводимых оттенков. DSP при помощи встроенного программного обеспечения анализирует цифровое значение уровней сигнала в трех каналах основных цветов расположенных по соседству пикселей с разными светофильтрами и присваивает им цвет в соответствии с результатами. Таким образом, формируется цветное изображение. DSP также осуществляет регулировку яркости, контрастности, насыщенности, резкости изображения, убирает шумы, при этом учитываются особенности человеческого зрения. В некоторых моделях, таких как OLYMPUS Е-1 применяется несколько процессоров, каждый из которых выполняет отдельные задачи.

 

Как только изображение пройдет через DSP, процессор камеры будет преобразовывать поток данных в файл изображения в формате JPEG, TIFF или RAW. К этому файлу прикрепляются и метаданные фотографии (значение диафрагмы, выдержки, баланс белого, коррекция экспозиции, режим съемки и работы вспышки, чувствительность, фокусное расстояние, разрешение, модель камеры, версия программного обеспечения камеры, время, дата и т.д.) Если файл не записывается в форматы RAW или TIFF, то он сжимается в соответствии с выбранным пользователем коэффициентом сжатия и алгоритмами работы программного обеспечения камеры. Алгоритмы сжатия в фотоаппарате "стараются" соблюсти баланс между размером файла, скоростью обработки и качеством изображения. После этого изображение записывается либо на встроенную память, либо на съемную карту памяти.